论文速递 IEEE JSTSP 2023| Integrated Sensing and Communication for Wireless Extended Reality (XR) w. RIS

注1：本文系“无线感知论文速递”系列之一，致力于简洁清晰完整地介绍、解读无线感知领域最新的顶会/顶刊论文(包括但不限于 Nature/Science及其子刊; MobiCom, Sigcom, MobiSys, NSDI, SenSys, Ubicomp; JSAC, 雷达学报 等)。
本次介绍的论文是：2023，IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, “Integrated Sensing and Communication for Wireless Extended Reality (XR) with Reconfigurable Intelligent Surface”
文章DOI: 10.1109/JSTSP.2023.3304846。

1 引言

在本篇博客中，我们将探讨一篇在IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing发表的题为"Integrated Sensing and Communication for Wireless Extended Reality (XR) with Reconfigurable Intelligent Surface"的研究文章。本文的主要贡献在于，针对无线扩展现实（XR）中的集成感知和通信（ISAC）框架，提出了一个新的实用定位算法，并通过仿真结果验证了该算法的有效性。

在无线网络的发展中，人机交互已经成为一个无处不在的现象，尤其是在下一代移动系统中，扩展现实（XR）被认为是一个关键的应用场景。XR是一种将虚拟环境与实体世界有机结合的技术，其中包括虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）等多种形式。然而，目前的无线网络可能无法充分支持XR的全潜力，因为XR对于超高的沉浸感、超可靠的低延迟通信（URLLC）以及大量的传感器和物联网（IoT）设备的管理都有着严格的要求。因此，集成感知和通信（ISAC）被认为是未来无线网络的一个新趋势，它旨在整合传感和通信系统，以充分利用无线资源和实现它们之间的潜在互利。

2 动机

随着设备的不断升级和迭代，用户可以获得更丰富、更沉浸的体验。同时，由于XR设备的计算和存储需求往往较大，因此通常会将大部分的计算和存储任务卸载到附近的计算机、智能手机、本地服务器或微型基站等设备。为了保证高质量的服务，当前的XR设备通常采用有线连接，但这会牺牲用户的体验。因此，无线连接被认为是未来XR发展的主流趋势。然而，目前的无线网络可能无法支持XR的全潜力，因为XR对于超高的沉浸感、超可靠的低延迟通信（URLLC）以及大量的传感器和物联网（IoT）设备的管理都有着严格的要求。

为了解决这些问题，文章提出了一种基于可重配置智能表面（RIS）的无线扩展现实（XR）中的集成感知和通信（ISAC）框架。RIS是由大量的子波长元素组成的二维材料，其电磁特性可以通过控制底部的可变电容二极管进行动态调整。这使得RIS能够通过引入额外的自由度来智能地重构无线传播环境。因此，RIS在近年来已经引起了学术界和工业界的广泛关注，涌现出了大量的研究成果。

3 方法

在本篇研究中，作者们提出了一个基于RIS的无线XR中的ISAC框架，并设计了一种基于MUSIC的实用定位算法。下面我们将详细介绍该方法的关键部分：

1. 可重配置智能表面（RIS）：本研究中，RIS被设计为一个二维材料，由大量的子波长元素组成。RIS的电磁特性可以通过控制底部的可变电容二极管进行动态调整，从而改变反射信号的幅度、相位甚至偏振。这使得RIS能够通过引入额外的自由度来智能地重构无线传播环境。

2. 基于MUSIC的定位算法：作者设计了一种基于多信号分类（MUSIC）的实用定位算法。该算法能够利用特别设计的RIS配置来定位用户（UE），并为其提供通信服务。

3. 联合优化问题：作者提出了一个联合优化用户设备（UE）波束成型器和RIS相移器的问题。该问题的目标是在Cramér-Rao下界（CRLB）约束下最大化信道容量。

4. 交替优化算法：为了解决联合优化问题，作者提出了一种基于梯度投影和流形优化的交替优化算法。该算法可以对UE波束成型器和RIS相移器进行交替优化，从而提高信道容量和定位精度。

5. 信道模型：本研究中，作者考虑了一种含有直射和非直射组件的莱斯信道模型。在该模型中，直射组件可以用于UE定位，而非直射组件则可以用于通信。
   

这个基于RIS的ISAC框架和基于MUSIC的定位算法为无线XR中的定位和通信提供了一个新的解决方案，具有较高的实用价值和广阔的应用前景。

4 实验与结果

文章对提出的定位算法和优化方法进行了仿真验证。在仿真中，考虑了一种2D场景，其中一个携带有NB天线的微基站服务一个携带有NU天线的XR-UE，其中可以有NR元素的RIS提供用户定位和通信服务。作者假设NU ≤ NB ≤ NR，所有设备都是同步的，并且UE-BS、UE-RIS和RIS-BS的方向角分别为ϕ0、ϕ1和ϕ2，而BS、RIS和UE的位置分别为pB、pR和pU。对于同样的路径损耗和Rician因子，作者比较了不同数量的RIS元素对定位精度和信道容量的影响。

实验结果显示，增加RIS元素的数量可以显著提高定位精度和信道容量。此外，实验结果也验证了所提出的定位算法和优化方法的有效性。在无线XR中，ISAC框架的实现可以显著提高用户体验，同时也为未来无线网络的发展开辟了新的可能性。

5 不足与未来展望

虽然本文的研究成果在理论上具有很高的价值，但在实际应用中仍然存在一些挑战。首先，RIS的配置需要根据无线环境的变化进行实时调整，这需要高效的算法和强大的计算能力。其次，RIS的硬件实现也是一个难题，尤其是在大规模MIMO系统中。此外，文章中的定位算法和优化方法都基于理想的无线环境模型，而实际的无线环境可能会受到各种因素的影响，如多径传播、遮挡等，这可能会影响定位精度和信道容量。

6 总结

总的来说，文章提出了一种基于RIS的无线XR中的ISAC框架，并设计了一种基于MUSIC的实用定位算法。仿真结果验证了所提出的定位算法和优化方法的有效性，同时也表明增加RIS元素的数量可以显著提高定位精度和信道容量。这为未来无线网络的发展提供了新的研究方向，但同时也带来了一些新的挑战。希望未来的研究能够解决这些挑战，从而使得RIS能够在无线XR中得到更广泛的应用。

本文的全文可以在这里找到，欢迎有兴趣的读者进行深入阅读。